“薄膜降温”是骗局吗？
前不久，笔者在上网浏览时，无意中发现一位网友这样一条微博。
显然，这位网友对《经济学人》介绍的薄膜降温很不以为然，认为这是违背热力学第二定律的胡扯。那么真相究竟如何呢？
《经济学人》介绍的这种新型降温手段[1]来自于美国科罗拉多大学华人学者尹晓波和杨荣贵的研究团队去年发表在《科学》杂志上的一篇论文[2]。在这篇论文中，研究人员介绍了他们开发的一种新材料，无需外界能量就可以在白天日照存在的情况下实现降温。那么这种新材料是如何发挥作用的呢？
我们知道，太阳无时无刻不在向外散发电磁辐射。这些辐射被物体吸收后，就可以转化为热能，使得物体温度升高。事实上，不仅太阳，任何温度高于绝对零度的物体都会以电磁波辐射的形式向周围环境散发热量，这就是通常所说的黑体辐射。因此，地球表面的物体一方面吸收来自太阳的电磁辐射，另一方面又以电磁辐射的方式向外散热，最终温度是升高还是降低，自然取决于两种力量的对比。物理学家告诉我们，一个黑体单位面积能够释放出的能量与黑体温度（以热力学温标即绝对温度计算，单位为K）的四次方成正比。太阳的表面温度近6000K，而地表物体的温度不过300多K，所以太阳热辐射的能力要远远超出地表物体。特别是在夏季，太阳直射，阳光被大气削弱的比较少，很容易就造成地表物体温度升高。这个时候，我们往往就需要电扇、空调等方式帮助降温，而这些手段通常需要外界提供能源。
如果我们设法让一个物体将太阳光反射或者散射掉，它就无法从阳光中获取热量，而它向外界散发热量的过程仍然不受影响。这样一来，这个物体是不是即便在炎热的夏季也能保持自身凉爽呢？理论上讲确实如此，这就是通常所说的辐射降温。但实际上，因为太阳热辐射的能力实在太强，哪怕只有一小部分日光被物体吸收，仍然有可能造成物体温度的显著升高。例如夏天穿白色的衣服会比穿黑色的衣服更凉快，就是因为白色衣服能够更好地散射阳光。但即便我们穿了白色衣服，站在夏日的室外仍然可能觉得炎热难耐。有研究人员估算，要想完全不借助外界降温手段仅凭辐射散热降温，物体对阳光的反射率至少要达到94%左右[3]，这在常规材料中是很难实现的，要想达到这个目标，只能借助于具有微观结构的新材料。
除了高反射率，要想实现良好的辐射降温效果，我们还必须让物体散发出的热辐射尽可能不被地球大气层吸收，否则地表物体散发出的热量一部分被大气吸收后又折返会地面，这也会让辐射降温的效果大打折扣。因此，我们需要让热辐射主要以波长为8-13微米的红外线的形式散发，这个波段的红外线很难被大气层吸收，可以直达外太空。这一要求在常规材料中也很难实现，同样需要借助于微观结构。
正是循着这个思路，在2014年，美国斯坦福大学华人学者范善辉教授带领的研究团队首次让白天的辐射降温成为可能。他们在硅的表面先镀上一层对阳光具有很强反射能力的金属银，然后在银的表面交替沉积上厚度在几十至几百纳米之间的二氧化硅和二氧化铪的薄膜。最终得到的装置不仅能够将高达97%的太阳光反射掉，而且其热辐射也集中在波长为8-13微米的红外线，因此具有很好的辐射降温效果。实验表明，即便面对直射的日光，这种装置的温度仍然可以比地表大气温度低约5°C. 这项研究随后发表在顶级学术刊物《自然》上[3]，其重要意义可见一斑。
范善辉教授研究小组通过特殊的纳米结构来保证白天辐射降温的效果
（图片引自参考文献[3]）
然而这种新材料的一大缺陷是其生产过程需要使用复杂昂贵的加工设备，不适合大规模的推广。因此，尹晓波和杨荣贵两位学者带领的研究团队在此基础上进行了改进。他们的方法是在塑料薄膜内掺入二氧化硅的微粒，同时在塑料薄膜的一面镀上银的薄膜。这样形成的材料同样满足了高反射率和热辐射不被大气吸收这两条要求，因此可以实现类似的辐射降温效果，但与前面的例子相比，其生产工艺要简便得多，成本也大大降低[2]。
尹晓波和杨荣贵两位华人学者开发出的能够实现白天辐射降温的塑料薄膜
（图片引自参考文献[2]）
所以，所谓薄膜降温，实际上是通过特殊的设计尽量避免薄膜升温，从而让辐射降温的效果最大化。显然，这种降温手段不是什么胡扯，更不违反热力学第二定律。热力学第二定律描述的是热力学过程的不可逆性，即热量总是自发地从高温物体向低温物体传递，而薄膜降温所依赖的辐射降温正是这样一个自发的过程。因此，薄膜降温被称为被动降温。
不过，薄膜降温不是骗局，并不意味着这项技术可以立即投入实际应用。同时，关于这项研究进展的报道也难免存在夸大之处。例如《经济学人》的报道中提到“研究小组估计，在美国一栋普通房子的屋顶铺设20平方米这种薄膜，就足以在室外温度达37°C时把室内温度保持在20°C”，但原始论文中并没有给出这样的估算，只是测算了塑料薄膜的降温效率。实际上《科学》杂志发表这一研究时配发的业内人士评论就指出，这种塑料薄膜辐射降温的功率并不算太高[4]。因此，用这种薄膜来完全代替空调等效率更高的降温手段恐怕是不现实的。但即便如此，这种新材料的积极作用仍然应该给与肯定。据估算，仅仅在美国，每年空调制冷消耗的能源占到发电量的6%左右，由此导致的二氧化碳排放超过1亿吨[4]。哪怕能够通过高效的辐射降温分担一小部分由空调担负的制冷需求，在节约能源和保护环境上的正面作用仍然会是相当可观的。
这种新型塑料薄膜如果要投入实际应用，还必须解决的一个问题是产品的耐久性。如果将这种塑料薄膜直接铺在建筑物的屋顶或者墙体，时间长了，塑料表面不仅会吸附灰尘污垢，而且风雨的侵蚀还可能导致塑料破裂，这些都会导致塑料薄膜的降温效果大幅下降。要想保证塑料薄膜的性能保持长期稳定，我们可以考虑定期更换塑料膜，或者用其它材料将塑料薄膜封装保护起来，但这会不会显著增加生产成本或者降低降温效果？这是研究人员接下来必须要考虑的。
最后，笔者需要指出的是，像《科学》、《自然》这样的刊物，虽然贵为世界顶级学术刊物，所登载的学术论文大多仍然以基础研究为主。这些研究的主要目的是为存在的问题提供可能的解决方案，指明进一步的研究方向，但本身通常并不提供成熟的产品。因此，我们应该学会理性看待基础研究领域的进展，既不应该将新的突破一味视为“胡扯”、“骗局”，也应该避免作过度的解读。
参考资料：
[1] 《新型环保薄膜，让炎夏和空调说拜拜》http://chuansong.me/n/1871827733622，此文为翻译《经济学人》的英文报道https://www.economist.com/news/science-and-technology/21716599-film-worth-watching-how-keep-cool-without-costing-earth
[2] Yao Zhai, Yaoguang Ma, Sabrina N. David, Dongliang Zhao, Runnan Lou, Gang Tan, Ronggui Yang, Xiaobo Yin, “Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling”, Science, 2017, 355, 1062
[3] Aaswath P. Raman, Marc Abou Anoma, Linxiao Zhu, Eden Rephaeli, Shanhui Fan, “Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight”, Nature, 2014, 515, 540
[4] Xiang Zhang, “Metamaterials for perpetual cooling at large scales”, Science, 2017, 355, 1023
来源：科学公园
编辑:雾里熊